Fysici laten zien hoe protonen zich door water spoeden

Nog altijd komen nieuwe eigenschappen aan het licht van de vloeistof die toch zo bekend is: water. Zo kunnen protonen (waterstofkernen) zich er bijvoorbeeld verrassend snel in verplaatsen. Promovendus Klaas-Jan Tielrooij en zijn collega’s van het Amsterdamse instituut voor atoom en molecuulfysica (AMOLF) hebben voor het eerst het achterliggende mechanisme in detail kunnen bekijken (Physical Review Letters, 15 mei 2009).

Het transport van protonen in waterige systemen is een belangrijk proces. In de energietechnologie bijvoorbeeld: de werking van brandstofcellen is erop gebaseerd. Maar vooral ook in de biologie: in levende cellen vormt protontransport de basis voor het opwekken en opslaan van energie. Water is de drijvende kracht achter de natuur, zei Leonardo da Vinci al.

Met ingenieuze technieken hebben Tielrooij en collega’s het protontransport nu in kaart gebracht. Het proton wandelt niet rustig via diffusie door het water – zoals gewoonlijk bij zo’n transport. In plaats daarvan bindt het extra proton, ofwel de waterstofkern H+, zich aan een watermolecuul: dat geeft H3O+. Daarna geven watermoleculen de positieve lading van deze extra waterstofkern in een razendsnelle estafette aan elkaar door.

Dat hangt samen met de waterstofbruggen in water. Elk watermolecuul slaat twee van die bruggen wanneer zijn licht positief geladen waterstofatomen losjes koppelen aan de licht negatief geladen zuurstofatomen in twee naburige watermoleculen. De bruggen houden de moleculen losjes bijeen.

De extra waterstofkern in het H3O+ slaat een derde brug, maar direct daarna transformeert één van de andere twee waterstofbruggen. De bijbehorende waterstofkern, die met een klassieke covalente binding (waarin twee elektronen worden gedeeld) aan het H3O+ zat, breekt los en bindt zich covalent aan de buurman. Nu is die buurman een H3O+ geworden - waarna het proces zich herhaald.

De estafettetechniek werd al in 1806 voorspeld door Theodor Grotthus. Het werk van Tielrooij en collega’s vormt een overtuigend experimenteel bewijs ervan, en laat voor het eerst zien hoeveel waterstofmoleculen bij elke stap in het proces betrokken zijn. Niet alleen het H3O+ en de drie daaraan gebonden buurmoleculen, maar ook nog eens vijftien moleculen daaromheen. Zij moeten zich herschikken om de andere vier moleculen de ruimte te geven voor hun manoeuvres. De volgende vraag is dus: is snel protontransport mogelijk in biologische systemen die over minder water beschikken?

Margriet van der Heijden

    • Margriet van der Heijden